外骨骼助力机器人结构设计及动力学仿真

合集下载

下肢外骨骼康复机器人动力学仿真与

2022年第46卷第12期Journal of Mechanical Transmission下肢外骨骼康复机器人动力学仿真与分析马晓君1刘玉阳1贾秋生2刘德胜3刘训报1袁铭润3（1佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯154007）（2哈尔滨轴承集团公司，黑龙江哈尔滨150002）（3佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江佳木斯154007）摘要下肢外骨骼康复机器人可以有效提高下肢运动功能受损患者的康复效率，减轻康复医师的工作量。

设计了一款气动肌肉驱动的下肢外骨骼康复机器人。

为探究外骨骼机器人运动状态和各关节运动机理之间的关系，采用拉格朗日方程对下肢外骨骼进行动力学建模，将建立好的虚拟样机模型导入Adams中进行动力学仿真，得到下肢外骨骼康复机器人在不同运动状态下各关节在运动过程中转矩的变化情况，对仿真数据进行分析，验证了数据的正确性，为下一步实物样机制作及驱动器的选择提供了理论依据。

关键词外骨骼机器人拉格朗日方程动力学仿真虚拟样机Simulation and Analysis of Dynamics of Lower Limb Exoskeleton Rehabilitation Robots Ma Xiaojun1Liu Yuyang1Jia Qiusheng2Liu Desheng3Liu Xunbao1Yuan Mingrun3（1School of Mechanical Engineering,Jiamusi University,Jiamusi154007,China）(2Harbin Bearing Group Corporation,Harbin150002,China)（3School of Information and Electronic Technology,Jiamusi University,Jiamusi154007,China）Abstract A lower limb exoskeleton rehabilitation robot can effectively improve the rehabilitation efficien⁃cy of patients with impaired lower limb motor function and reduce the workload of rehabilitation physicians. Therefore,a lower limb exoskeleton rehabilitation robot is designed,the relationship between the motion state of the exoskeleton robot and the motion mechanism of each joint is explored,the Lagrange equation to model the dynamics of the lower limb exoskeleton is used and the established virtual prototype model into Adams for dy⁃namic simulation is imported.Further,the torque changes of each joint of the lower limb exoskeleton rehabilita⁃tion robot in different motion states are obtained.The data are analyzed to verify the correctness of the data, which provides a theoretical basis for the next step of the physical prototype fabrication and the selection of the actuator.Key words Exoskeleton robot Lagrangian equation Dynamics simulation Virtual prototype0引言现如今，由于脑卒中、车祸或其他原因引起身体运动功能受损的人口数量在不断增加，从事有关康复训练的专业人员严重不足，因此，开发一种能够代替康复医师工作的机器人成为当下一个研究热点[1]。

基于外骨骼的可穿戴式下肢康复机器人结构设计与仿真

二、文献综述
传感器设计是下肢康复机器人的关键部分，它可以实时监测患者的运动状态和机器人与患者之间的交互力。例如，一些传感器设计采用了力传感器，以监测机器人与患者之间的相互作用力；还有一些传感器设计采用了运动传感器，以监测患者的运动状态。
二、文献综述
然而，现有的下肢康复机器人在机构设计、控制系统和传感器设计等方面仍存在一些问题和挑战。例如，一些机构的机械结构复杂，使得机器人的重量和体积较大；一些控制系统的智能化程度较低，无法实现个性化的康复治疗；一些传感器的准确性和稳定性有待提高。因此，本次演示将对外骨骼的可穿戴式下肢康复机器人的结构设计进行探讨，并利用仿真技术对其进行优化和完善。
基于外骨骼的可穿戴式下肢康复机器人结构设计与仿真
01 一、引言
目录
02 二、文献综述
03 三、研究设计
04 四、实证研究
05 五、案例分析
06 六、结论
一、引言
一、引言
随着现代医疗技术的不断发展，康复机器人作为一种新型的康复治疗手段，逐渐在康复医学领域得到广泛应用。其中，基于外骨骼的可穿戴式下肢康复机器人因其能帮助下肢运动功能障碍患者进行科学有效的康复治疗而受到特别。本次演示将对外骨骼的可穿戴式下肢康复机器人的结构设计进行探讨，并利用仿真技术对其进行优化和完善。
五、案例分析
五、案例分析
以一个实际案例为例，我们介绍如何利用外骨骼的可穿戴式下肢康复机器人进行治疗，并对其效果进行评估和分析。该案例中，患者是一位因为脑卒中导致下肢运动功能障碍的老年人。在使用外骨骼式下肢康复机器人进行为期三个月的康复治疗后，患者的下肢运动功能得到了显著改善。通过机器人的辅助训练，患者的步行速度和耐力都有了明显的提高。同时，患者在治疗过程中并未出现不适或者皮肤损伤的情况，表明该机器人的安全性较高。

一种新型助力携行下肢外骨骼设计及仿真

２０１８年８月第４６卷第１５期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＡｕｇ２０１８Ｖｏｌ４６Ｎｏ１５ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１－３８８１２０１８１５００３收稿日期：２０１７－０３－２３基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目（５１５０５２６３）；山东省科技发展计划资助项目（２０１４ＧＧＸ１０３００７）；山东省高等学校科技计划项目（Ｊ１５ＬＢ０８）作者简介：吴俊杰（１９９２），男，硕士研究生，研究方向为外骨骼机器人建模㊁仿真与优化㊂Ｅ－ｍａｉｌ：９６１４５１６７３＠ｑｑｃｏｍ㊂通信作者：赵彦峻，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｙｊ６２７０１１０＠１６３ｃｏｍ㊂一种新型助力携行下肢外骨骼设计及仿真吴俊杰１，赵彦峻１，张忠东１，乔学昱１，张健２（１．山东理工大学机械工程学院，山东淄博２５５０４９；２．苏州纽威阀门股份有限公司，江苏苏州２１５０００）摘要：设计了一种非拟人型下肢外骨骼，主要是由座椅㊁髋关节㊁大腿部结构㊁膝关节㊁小腿部结构㊁踝关节和鞋子依次串联而成，采用电机驱动㊂对下肢外骨骼进行了自由度分配与结构分析，根据坐标变换，运用Ｄ⁃Ｈ法建立下肢外骨骼的运动学模型㊂建立了下肢外骨骼虚拟样机模型，利用多体动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ进行运动学仿真㊂仿真结果验证了理论模型的合理性，为后期进一步研究外骨骼提供了依据㊂关键词：下肢外骨骼；运动学分析；Ｄ⁃Ｈ法；仿真中图分类号：ＴＰ２４２㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀文章编号：１００１－３８８１（２０１８）１５－０１２－４ＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆａＮｅｗＴｙｐｅｏｆＰｏｗｅｒＡｓｓｉｓｔｅｄＰｏｒｔａｂｌｅＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｆｏｒＬｏｗｅｒＬｉｍｂｓＷＵＪｕｎｊｉｅ１，ＺＨＡＯＹａｎｊｕｎ１，ＺＨＡＮＧＺｈｏｎｇｄｏｎｇ１，ＱＩＡＯＸｕｅｙｕ１，ＺＨＡＮＧＪｉａｎ２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＺｉｂｏＳｈａｎｄｏｎｇ２５５０４９，Ｃｈｉｎａ；２．ＮｅｗａｙＶａｌｖｅ（Ｓｕｚｈｏｕ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，ＳｕｚｈｏｕＪｉａｎｇｓｕ２１５０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｏｎ⁃ａｎｔｈｒｏｐｏｍｏｒｐｈｉｃｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｒｏｂｏｔｄｅｓｉｇｎｅｄｉｓｍａｉｎｌｙｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅｌｙｗｉｒｅｄｉｎｓｅｒｉｅｓｂｙａｓｅａｔ，ａｈｉｐｊｏｉｎｔ，ａｔｈｉｇｈ，ａｋｎｅｅｊｏｉｎｔ，ａｌｅｇ，ａｎａｎｋｌｅａｎｄａｓｈｏｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｄｒｉｖｅｎｂｙａｎｅｌｅｃｔｒｉｃｍｏｔｏｒ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｉｔｓｄｅｇｒｅｅｓｏｆｆｒｅｅｄｏｍｗｅｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅＤ⁃Ｈｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ．Ｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅｍｏｄｅｌｏｆｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅｋｉ⁃ｎｅｍａｔｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｕｓｉｎｇｍｕｌｔｉ⁃ｂｏｄｙｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅＡＤＡＭＳ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｙｔｈｅｒａｔｉｏｎ⁃ａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈｌａｉｄｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｌａｔｅｒｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ；Ｋｉｎｅｍａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓ；Ｄ⁃Ｈｍｅｔｈｏｄ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ０㊀前言下肢残疾及老龄化人口的数量急增，给社会㊁家庭和个人生活带来巨大困难，康复训练与老龄人行走问题成了社会需要解决的一大难题㊂下肢外骨骼能够帮助人类解决这个问题，它可以辅助老年人行走，给他们的日常生活带来极大的方便［１］㊂人体下肢外骨骼能够将机器强大的机械能量与人类智能结合起来［２］㊂目前，下肢外骨骼主要运用于军事，例如ＢＬＥＥＸ系列［３］，也有应用于医疗，例如ＨＡＬ系列［４］㊂针对辅助人体行走等问题，设计了一种下肢外骨骼，如图１所示，采用了非拟人型结构设计，与人体无直接绑缚连接，髋关节采用电机驱动，膝关节和踝关节为阻尼装置驱动㊂它可以帮助分担人体质量，有效增强人体的机能，不仅可以用于帮助中老年人行走㊁辅助残疾人行走，还可以应用于某些需要长时间站立㊁行走的工作，以缓解疲劳，提高工作效率㊂图１㊀下肢外骨骼１㊀结构设计１１㊀自由度分配在研究人体下肢系统的基础上，设置下肢外骨骼双腿具有１２个自由度㊂即每条腿的髋关节保留了屈／伸和外展／内收２个自由度，膝关节仅保留了屈／伸１个自由度，而踝关节保留了屈／伸㊁背屈和跖屈３个自由度㊂鞋子可以弯曲㊂１２㊀机械结构设计在设计外骨骼时考虑了身材的兼容性，外骨骼的机械结构可调节其长度，因此其大腿杆㊁小腿杆应预留一定的调整范围［５］㊂根据ＧＢ１００００⁃１９８８‘中国成年人人体尺寸“中测量数据进行设定，采用身高１７００ｍｍ，体重６０ｋｇ为标准，大腿杆的平均长度为４６５ｍｍ，小腿杆的平均长度３６９ｍｍ，以此数据设计外骨骼结构㊂１２１㊀踝关节设计人体踝关节是小腿和脚的连接处，有３个转动自由度，是一处比较关键和灵活的关节也是承受身体质量最多的关节㊂为了使外骨骼更加符合人体工程学，踝关节采用球铰链接，保留了全部自由度，既可以承受较大负荷，也可以实现３维转动㊂同时，考虑到人体脚踝的脆弱性和踝关节转动角度范围，对其进行保护限位，当球铰上部绕球心转动到一定角度时会与鞋子上的安装孔发生干涉，从而起到角度限位作用㊂为了保证踝关节的柔性连接，增加了圆柱压缩弹簧，可以起到储存能量㊁自动回位及缓冲的作用，如图２所示㊂图２㊀踝关节结构１２２㊀髋关节设计髋关节保留了两个转动自由度㊂由于外骨骼穿戴图３㊀行星齿轮传动简图时置于两腿之间，在该位置，无法直接设计出实际的外骨骼髋关节㊂因此，采用如图３所示的行星轮传动机构，将电机安装在大腿板上，通过半偏轴与小齿轮配合，从而带动小齿轮转动，使得电机㊁大腿机构也绕大齿轮中心转动，如图４所示㊂图４㊀髋关节结构座椅连接板与大齿轮采用螺栓连接，螺母紧固，大齿轮留有一定的活动空间，便于旋转转动，从而实现髋关节的外展／内收运动㊂２㊀外骨骼运动学分析２１㊀坐标系建立在运动时，空间中末端操作器的位姿与一系列关节变化角度之间的关系是机器人运动学的主要研究内容［６］㊂控制下肢外骨骼的过程中，为了能够实时地了解人体所处的运动状态，需要迅速地获得踝关节位姿与各个关节之间的距离㊂而运动学正向求解就是通过关节变量值求出末端控制器在空间笛卡尔坐标系下的位姿；反之，通过机器人末端的位置和姿态，求出所需的关节变量值即为求运动学逆解㊂外骨骼是一系列由关节连接起来的连杆所组成［７］，对于串联机器人一般运用Ｄ⁃Ｈ法来建立运动学模型［８］㊂由于外骨骼两侧的机械结构为左右对称，而人体的步态周期具有周期性，因此仅对单腿结构进行研究，如图５所示，采用Ｄ⁃Ｈ法对外骨骼机器人右腿建立运动学坐标系［９］，基坐标系Ｏ０在右腿髋关节处，站立姿态为初始零位㊂获得外骨骼的Ｄ⁃Ｈ参数表，见表１㊂表中，θｉ为连杆转角；ａｉ为连杆长度；αｉ为连杆扭角㊂图５㊀外骨骼运动学模型㊃３１㊃第１５期吴俊杰等：一种新型助力携行下肢外骨骼设计及仿真㊀㊀㊀表１㊀外骨骼Ｄ⁃Ｈ参数表连杆ｉθｉａｉαｉ１θ１ａ１０ʎ２θ２０９０ʎ３θ３ａ３０ʎ４θ４ａ４０ʎ２２㊀正运动学求解在外骨骼所建立的坐标系的基础上，利用齐次变换矩阵将各个坐标系相互联系起来㊂根据表１给出的Ｄ⁃Ｈ参数，计算外骨骼相邻两杆的齐次变换矩阵ｉ－１ｉＴ：０１Ｔ＝Ｔｒａｎｓ（ｘ１，ａ１）１００ａ１０１００００１００００１éëêêêêêùûúúúúú１２Ｔ＝Ｒｏｔ（ｚ１，θ２）㊃Ｒｏｔ（ｘ２，α２）ｃｏｓθ２０ｓｉｎθ２０ｓｉｎθ２０－ｃｏｓθ２００１０００００１éëêêêêêùûúúúúú２３Ｔ＝Ｒｏｔ（ｚ２，θ３）㊃Ｔｒａｎｓ（ｘ３，ａ３）ｃｏｓθ３－ｓｉｎθ３０ａ３ｃｏｓθ３ｓｉｎθ３ｃｏｓθ３０ａ３ｓｉｎθ３００１００００１éëêêêêêùûúúúúú３４Ｔ＝Ｒｏｔ（ｚ３，θ４）㊃Ｔｒａｎｓ（ｘ４，ａ４）ｃｏｓθ４－ｓｉｎθ４０ａ４ｃｏｓθ４ｓｉｎθ４ｃｏｓθ４０ａ４ｓｉｎθ４００１００００１éëêêêêêùûúúúúú将上述齐次坐标变换矩阵依次相乘可以得到外骨骼的坐标变换矩阵０４Ｔ＝０１Ｔ㊃１２Ｔ㊃２３Ｔ㊃３４Ｔ：０４Ｔ＝ｃ２ｃ３４－ｃ２ｓ３４ｓ２ａ４ｃ２ｃ３４＋ａ３ｃ２ｃ３＋ａ１ｓ２ｃ３４－ｓ２ｓ３４－ｃ２ａ４ｓ２ｃ３４＋ａ３ｓ２ｃ３ｓ３４ｃ３４０ａ４ｓ３４＋ａ３ｓ３０００１éëêêêêêùûúúúúú（１）其中ｃ１代表ｓｉｎθ１，ｃ１代表ｃｏｓθ１，ｓ１２代表ｓｉｎ（θ１＋θ２），其他类似㊂若令θ１＝０，θ２＝９０ʎ，θ３＝１４５ʎ，θ４＝７５ʎ，并将有关常量代入到式（１），得到：０４Ｔ＝００１ａ１－０７６６０６４３０－０７６６ａ４－０８１９ａ３－０６４３－０７６６０－０６４３ａ４＋０５７４ａ３０００１éëêêêêêùûúúúúú这与人体站立时的位姿一致，证明了外骨骼的Ｄ⁃Ｈ坐标系与运动学正解是正确的㊂由式（１）可以得到外骨骼踝关节的运动方程为：ｐｘ＝ａ４ｃ２ｃ３４＋ａ３ｃ２ｃ３＋ａ１ｐｙ＝ａ４ｓ２ｃ３４＋ａ３ｓ２ｃ３ｐｚ＝ａ４ｓ３４＋ａ３ｓ３ìîíïïïï式中：ｐｘ㊁ｐｙ㊁ｐｚ分别为踝关节在ｘ㊁ｙ㊁ｚ方向上的位移㊂２３㊀逆运动学求解在工程应用中，逆运动学对于外骨骼的轨迹控制与步态规划更为重要［９］㊂假定已知外骨骼末端位姿矩阵，分别求各关节角度㊂０４Ｔ＝ｎｘｏｘａｘｐｘｎｙｏｙａｙｐｙｎｚｏｚａｚｐｚ０００１éëêêêêêùûúúúúú＝１０Ｔ１２Ｔ２３Ｔ３４Ｔ将方程两端同时左乘１２Ｔ－１０㊀１Ｔ－１即１２Ｔ－１０㊀１Ｔ－１０㊀４Ｔ＝２３Ｔ２３Ｔ联立方程组，可得：ｃ３ｃ４－ｓ３ｓ４＝ｃ２ｎｘ＋ｓ２ｎｙ＝ｏｚｓ３ｃ４＋ｃ３ｓ４＝ｎｚ＝－ｃ２ｏｘ－ｓ２ｏｙａ４ｃ３４＋ａ３ｃ３＝ｃ２ｐｘ＋ｓ２ｐｙ－ａ１ｃ２ａ４ｓ３４＋ａ３ｓ３＝ｐｙｓ２ｐｘ－ｃ２ｐｙ－ａ１ｓ２＝０ìîíïïïïïï可求得：θ２＝Ａｔａｎｐｙｐｘ－ａ１θ４＝Ａｃｏｓｃ２２（ｐ２ｘ＋ａ２１＋２ａ１ｐｘ）－２ｓ２ｃ２（ｐｘｐｙ＋ａ１ｐｙ）－ａ２４－ａ２３２ａ３ａ４θ３＝Ａｔａｎｎｚｏｚæèçöø÷－θ４求解反三角函数往往造成机器人运动学逆解具有多个，为此必须结合实际情况与机械结构特点做出判断，以选择合适的解㊂３　下肢外骨骼仿真利用ＳＯＬＩＤＷＯＲＫＳ完成对外骨骼机械结构的几何建模，并导入ＡＤＡＭＳ进行设定，建立虚拟样机，模拟下肢外骨骼在虚拟环境中的运动过程，直观地分析外骨骼运动学［１０－１１］㊂由于文中仅研究外骨骼应用于直线助力辅助行走，所以仅保留人体矢状面内的关节运动，其余平面的关节设置为固定约束㊂依据外骨骼运动特性，以前述公式为基础设置驱动数据［１２］，通过仿真获得了踝关节在运动时Ｙ㊁Ｚ方向的位移曲线和髋关节与膝关节的输出角度变化曲线，如图６㊁图７所示㊂㊃４１㊃机床与液压第４６卷㊀图６㊀踝关节Ｙ㊁Ｚ方向㊀㊀㊀㊀图７㊀髋关节与膝关节输的仿真位移曲线出角度变化曲线由图６获得踝关节在运动过程中的位姿变化曲线，踝关节在Ｙ㊁Ｚ方向做往复运动，在Ｚ方向位移变化最大，为前进方向㊂对比踝关节位移的图６仿真曲线与图８理论曲线，如表２所示，可知两种结果中位移变化存在一定的误差，但总体相差不大，在误差允许范围之内，理论曲线更加连续平缓㊂外骨骼髋关节与膝关节的输出角度变化曲线符合人体正常运动的步态，证明可以实现携带人体行走㊂图８㊀踝关节Ｙ㊁Ｚ方向的理论位移曲线表２㊀踝关节位移值时间／ｓ００５１０１５２０踝关节仿真Ｙ位移／ｍｍ０－３６００３２１７踝关节理论Ｙ位移／ｍｍ２－３６５－３２３２６－８髋关节仿真Ｙ位移／ｍｍ０１３５０６５３髋关节理论Ｙ位移／ｍｍ－７１２４１３５７７４㊀总结介绍了下肢外骨骼的基本结构设计，对自由度进行分配，并以此为基础，利用坐标变换与Ｄ⁃Ｈ法建立运动学模型，求出机器人正㊁逆运动学解，建立脚踝部与各关节角度之间的关系㊂最后，根据现实应用环境，对外骨骼运用仿真软件ＡＤＡＭＳ进行运动学仿真㊂仿真结果证明了外骨骼结构的合理性，行走步态与人的步态相同，为后续工作提供了理论基础与数据参考㊂参考文献：［１］沈凌，孟青云，喻洪流．基于虚拟样机技术的下肢假肢结构设计与仿真［Ｊ］．工程设计学报，２０１１，１８（１）：３４－３７．ＳＨＥＮＬ，ＭＥＮＧＱＹ，ＹＵＨＬ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＬｅｇＰｒｏｓｔｈｅｓｉｓＳｔｒｕｃｔｕｒｅＢａｓｅｄｏｎＶｉｒｔｕａｌＰｒｏｔｏｔｙｐｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎ，２０１１，１８（１）：３４－３７．［２］ＹＡＮＧＣＪ，ＮＩＵＢ，ＣＨＥＮＹ．ＡｄａｐｔｉｖｅＮｅｕｒｏ⁃ｆｕｚｚｙＣｏｎｔｒｏｌＢａｓｅｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａＷｅａｒａｂｌｅＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎＬｅｇｆｏｒＨｕ⁃ｍａｎＷａｌｋｉｎｇＰｏｗｅｒＡｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｃ］／／ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥＩｎ⁃ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＡｄｖａｎｃｅｄＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭｅｃｈａｔｒｏｎ⁃ｉｃｓ．Ｍｏｎｔｅｒｅｙ．Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，２００５：４６７－４７２．［３］ＺＯＳＳＡ，ＫＡＺＥＲＯＯＮＩＨ，ＣＨＵＡ．ＯｎｔｈｅＭｅｃｈａｎｉｃａｌＤｅ⁃ｓｉｇｎｏｆｔｈｅＢｅｒｋｅｌｅｙＬｏｗｅｒＥｘｔｒｅｍｉｔｙＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ（ＢＬＥ⁃ＥＸ）［Ｃ］／／ＩＥＥＥ／ＲＳＪＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＩｎｔｅｌｌ⁃ｇｅｎｔＲｏｂｏｔｓａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ．Ｅｄｍｏｎｔｏｎ，２００５：３１３２－３１３９．［４］王伟．可穿戴机器人的研究现状和面临的挑战［Ｊ］．机器人技术与应用，２０１３（４）：１２－１６．［５］赵彦峻，葛文庆，刘小龙，等．外骨骼机器人设计及其机械结构的有限元分析［Ｊ］．机床与液压，２０１６，４４（３）：１０－１３．ＺＨＡＯＹＪ，ＧＥＷＱ，ＬＩＵＸＬ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎＲｏｂｏｔａｎｄＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０１６，４４（３）：１０－１３．［６］崔谨想．下肢外骨骼机器人系统建模与仿真实验研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１４．［７］理查德㊃摩雷，李泽湘，夏恩卡．萨思特里．机器人操作的数学导论’Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９８：４５－４９．［８］许路航，王钰，王志乐．上肢外骨骼运动的逆向求解仿真［Ｊ］．科学技术与工程，２０１１，１１（１４）：３３３１－３３３５．ＸＵＬＨ，ＷＡＮＧＹ，ＷＡＮＧＺＬ．ＲｅｓｅｒｖｅＳｏｌｖｉｎｇａｎｄＳｉｍｕ⁃ｌａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＭｏｔｉｏｎｏｆＵｐｐｅｒ⁃ｌｉｍｂＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，１１（１４）：３３３１－３３３５．［９］ＳＡＮＴＩＳＡＤ，ＳＩＣＩＬＩＡＮＯＢ．ＩｎｖｅｒｓｅＫｉｎｅｍａｔｉｃｓｏｆＲｏｂｏｔＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓｗｉｔｈＭｕｌｔｉｐｌｅＭｏｖｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌＰｏｉｎｔｓ［Ｍ］／／ＬＥＮＡＲＣ㊅ＩＣ㊅Ｊ，ＷＥＮＧＥＲＰ．ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＲｏｂｏｔＫｉｎｅｍａｔｉｃｓ：ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ．Ｂｅｒｌｉｎ：ＳｐｒｉｎｇｅｒＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，２００８：４２９－４３８．［１０］易嘉伟，程文明，濮德璋．携行式外骨骼下肢运动学分析与仿真［Ｊ］．机械设计制造，２０１４（２）：１７１－１７４．ＹＩＪＷ，ＣＨＥＮＧＷＭ，ＰＵＤＺ．ＴｈｅＫｉｎｅｍａｔｉｃｓＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＬｏｗｅｒＥｘｔｒｅｍｉｔｙＰｏｒｔａｂｌｅＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２０１４（２）：１７１－１７４．［１１］梁青，宋宪玺，周烽，等．基于ＡＤＡＭＳ的双足机器人建模与仿真［Ｊ］．计算机仿真，２０１０，２７（５）：１６２－１６５．ＬＩＡＮＧＱ，ＳＯＮＧＸＸ，ＺＨＯＵＦ，ｅｔａｌ．ＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＳｉｍｕ⁃ｌａｔｉｏｎｏｆＢｉｐｅｄＲｏｂｏｔＢａｓｅｄｏｎＡＤＡＭＳ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２０１０，２７（５）：１６２－１６５．［１２］刘小龙，赵彦峻，葛文庆，等．医疗助力下肢外骨骼设计及动力学仿真分析［Ｊ］．工程设计学报，２０１６，２３（４）：３２７－３３２．ＬＩＵＸＬ，ＺＨＡＯＹＪ，ＧＥＷＱ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄＤｙｎａｍｉｃｓＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｅｄｉｃａｌＤｉｓａｂｌｅｄＬｏｗｅｒＬｉｍｂＥｘｏ⁃ｓｋｅｌｅｔｏｎ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎ，２０１６，２３（４）：３２７－３３２．（责任编辑：卢文辉）㊃５１㊃第１５期吴俊杰等：一种新型助力携行下肢外骨骼设计及仿真㊀㊀㊀。

下肢康复外骨骼机器人动力学分析及仿真

下肢康复外骨骼机器人动力学分析及仿真一、本文概述随着医疗科技的快速发展，下肢康复外骨骼机器人作为一种新型康复设备，正日益受到研究者和医疗工作者的关注。

本文旨在对下肢康复外骨骼机器人的动力学特性进行深入分析，并通过仿真实验验证其理论分析的准确性。

文章首先介绍了下肢康复外骨骼机器人的研究背景和应用意义，阐述了其动力学分析的重要性。

随后，本文详细阐述了下肢康复外骨骼机器人的动力学建模过程，包括机器人的运动学模型、动力学模型以及控制模型的建立。

在建模过程中，考虑了机器人的结构特点、运动规律以及人机交互等因素，确保了模型的准确性和实用性。

在完成动力学建模后，本文利用仿真软件对下肢康复外骨骼机器人的动力学特性进行了仿真实验。

仿真实验包括了机器人在不同运动状态下的动力学响应、人机交互过程中的力传递特性以及控制策略的有效性等方面。

通过仿真实验，本文验证了动力学模型的正确性，并为后续的实物实验提供了理论支持。

本文总结了下肢康复外骨骼机器人动力学分析及仿真的主要研究成果，并指出了未来研究方向。

通过本文的研究，不仅有助于深入理解下肢康复外骨骼机器人的动力学特性，还为优化机器人设计、提高康复效果以及推动医疗康复领域的发展提供了有益的参考。

二、下肢康复外骨骼机器人概述下肢康复外骨骼机器人是一种辅助人体下肢运动，帮助进行康复训练的先进医疗设备。

这种机器人通过精密的机械结构和智能控制系统，能够实时地感知并适应穿戴者的运动意图，提供必要的助力或阻力，以达到改善运动功能、增强肌肉力量、促进神经恢复等康复目标。

下肢康复外骨骼机器人通常由支架、传感器、执行器、控制系统等部分组成。

支架负责支撑和保护穿戴者的下肢，同时提供运动的轨迹和范围。

传感器则负责实时感知穿戴者的运动状态、肌肉力量、姿态等信息，为控制系统提供决策依据。

执行器则根据控制系统的指令，驱动机械结构产生相应的动作，提供助力或阻力。

在动力学分析方面，下肢康复外骨骼机器人需要考虑穿戴者的运动学特性和动力学特性，以及机器人自身的机械特性、控制特性等因素。

外骨骼机器人结构设计与动力学仿真

骨骼机器人髋关节、膝关节的动力学参数，分析了仿真结果的正确性，为外骨骼机器人的结构设计提供了可靠的依据。关键词：外骨骼机器人；结构设计；动力学仿真
０引言
外骨骼机器人是一种可穿戴在人体外部的机械装置，可用于帮助下肢瘫痪患者进行康复训练或帮助其实现正常行走，也
耋量坌堑！ｓｎｅｊｉｖｕＦｅｎ × 外骨骼机器人结构设计与动力学仿真
张楠Байду номын сангаас易子凯
（苏州大学机电工程学院，江苏苏州２１５１３７）摘要：对外骨骼机器人进行了结构设计，重点介绍了外骨骼机器人的驱动器设计和工作原理。通过ＡＤＡＭＳ动力学仿真，得到了外
１＿２驱动型式设计
研究表明［５］，在人体正常行走时，能量消耗最大的是髋关节和膝关节，因此，在外骨骼机器人的设计过程中，只在膝关节
和髋关节安装了驱动器。模仿人体的关节运动方式，分别在膝关节和髋关节安装了
关节轴线重合，以增加外骨骼机器人的兼容性和舒适性。
腰部及支撑模块髋关节模块
因为外骨骼机器人是帮助患者站立行走和进行康复训练、完成简单的直线行走及转向动作的，所以为降低结构的复杂
腰部及支撑模块靛关节模块
美国洛克希德・马丁公司研制的ＨＵＬＣ（ＨｕｍａｎＵｎｉｖｅｒｓａｌＬｏａｄＣａｒｒｉｅｒ）￣ｂ骨骼机器人是军事应用的典型代表。ＨＵＬＣ主要用于单兵军事强化，其采用液压驱动，负载能力强，结构简单，但具有控制较难和易出现液压系统漏油的缺点。Ｅｌ本筑波大学研制的ＨＡＬ（ＨｙｂｒｉｄＡｓｓｉｓｔｉｖｅＬｉｍｂ）￣，骨骼机器人主要用于帮助

穿戴式下肢负重外骨骼机械人机构设计与动力学仿真_杨凯

图2
外骨骼自由度设计实体模型
3 步行质心轨迹生成
3.1 可变 ZMP 的三维倒立摆模型
利用 D－H(Denavit－Harenberg)建模方法及 4×4 齐次变换矩阵来描述外骨骼下肢各连杆坐标和相对空间的几何关系[5]。为合理规划下肢外骨骼的步行关节轨迹，可以将其简化为一个图 3 所示的三维倒立摆模型，并且让 ZMP 点在脚底着地的稳定区域内按照某种规律合理地，则脚的踝关节到脚的边缘的变化。其中，取踝关节所在的位置为基准坐标系 P0=（x0, y0, z0）距离分别为 La、 Lb、 Lc、 Ld 。质心的位置为 Pcog=[xcog , ycog , zcog]T, 零力矩点的位置为 Pzmp=[xzmp , yzmp , 0]T。下肢外骨骼机械人在步行周期内，假设其质心的高度位置始终为 Hc；质心在竖直
()
式中，k 为 ZMP 的可变系数，且满足 0 k 1 ，当 k =0 时，ZMP 的可变范围最小，固定在脚底的中点位置；当 k =1 时，ZMP 的可变范围最大，可以在整个脚底范围内变化。由公式(1)、 (2)经积分得到单脚支撑期的质心运动轨迹公式为：
xc xc cos t t0 t t0 cTs sin x x zmp Ts Ts
X0
图 3 三维倒立摆模型
3.2 按照余弦规律变化的 ZMP 运动轨迹
以 C.Zhu 等人提出的 ZMP 倒立摆模型生成步行轨迹方法[6]。在此研究成果基础上提出按照余弦规律变化的可变 ZMP 方法。定义可变 ZMP 的时间函数为：
L a Lb L Lb t k cos( ) a Ts 2 2 Lc Ld Lc Ld t y zmp ( t ) k cos( ) Ts 2 2 x zmp ( t )

外骨骼机器人的控制算法与运动仿真

外骨骼机器人的控制算法与运动仿真现代科技的迅速发展，带来了许多令人惊叹的科技产品，其中外骨骼机器人便是其中之一。

外骨骼机器人是一种可穿戴设备，可以帮助人们在行走、跑步、爬楼梯等活动中增强肢体的力量和稳定性，并能够在医疗、工业、军事等领域发挥重要作用。

但是，外骨骼机器人的实现并不简单，需要先进的控制算法和运动仿真技术来保证机器人的行走和稳定性。

本文将会详细介绍外骨骼机器人的控制算法和运动仿真技术。

一、外骨骼机器人的控制算法1.1 外骨骼机器人的运动学模型为了设计外骨骼机器人的控制算法，首先需要建立机器人的运动学模型。

运动学模型是描述机器人姿态、关节角度和运动规律的数学模型。

外骨骼机器人的运动学模型一般采用欧拉角或四元数来描述机器人的姿态，同时通过关节角度来描述机器人的运动。

另外，机器人的连杆长度和连接方式也需要考虑到，这些参数对机器人的控制和稳定性有很大的影响。

1.2 外骨骼机器人的运动控制外骨骼机器人的控制算法一般包括运动控制和力控制两个部分。

运动控制是指控制机器人的关节角度和运动轨迹，使机器人达到预定的运动目标。

外骨骼机器人一般采用PID控制算法或者模型预测控制算法来进行运动控制。

PID控制算法是一种经典的控制方法，通过比较机器人实际位置和预定位置的误差，来调整机器人的关节角度和运动轨迹。

模型预测控制算法则是通过对机器人运动过程的建模，来预测机器人的运动轨迹和关节角度，并进行控制。

1.3 外骨骼机器人的力控制力控制是指对机器人所施加的力进行控制，使机器人可以承受外部扰动和重力，并保持稳定。

外骨骼机器人的力控制算法一般采用阻抗控制算法或者力矩控制算法来实现。

阻抗控制算法是一种在工业机器人中广泛使用的控制算法，其通过控制机器人与环境之间的力交换，来实现对机器人的稳定控制。

力矩控制算法则是直接对机器人的关节力矩进行控制，以达到稳定机器人的目的。

二、外骨骼机器人的运动仿真为了验证外骨骼机器人的控制算法和稳定性，需要进行运动仿真实验。

下肢外骨骼助力装置结构与动力学分析

下肢外骨骼助力装置结构与动力学分析随着科学技术的进步和人们对于增强自身能力的渴望，下肢外骨骼助力机器人已成为国内外“人机一体化”的一个重要研究方向。

文章介绍了下肢外骨骼助力装置的研究意义，具体阐述了下肢外骨骼助力机器人整体结构的设计、及动力学分析等。

通过实验仿真验证驱动电机选型的可靠性。

全面阐述了下肢外骨骼助力机器人的结构设计方案。

标签：下肢外骨骼机器人；结构设计；动力学；仿真引言现在的交通越来越发达，人们可以用各种各样的交通工具来运载重物以及帮助人们到达目的地，但是在自然界中许多崎岖不平甚至很陡峭的地方交通工具也很难到达；随着时代的发展，老龄化问题也越来越严重，越来越多的老年人需要被照料；再者，残疾人士（更多的是下肢瘫痪或者行走困难的人）也需要借助一些工具来适应这个世界，因此开发出一些操作简单、价格合理的智能机械装置用于帮助人们运载重物、辅助老年人以及残疾人，帮助他们照料自己或者进行康复训练无疑是解决目前老龄化问题的一个有效措施。

下肢外骨骼助力系统实质上是一种可穿戴的人机一体化系统，其以人为核心，由穿着者进行控制操作，所以机械结构的设计需要尽量的拟人化，这样才能更好的配合穿戴者完成任务。

1 结构设计1.1 结构设计原则根据下肢外骨骼机器人可穿戴性的特点，在对其机械结构进行设计时，应当充分考虑以下四个设计原则。

（1）安全可靠。

由于下肢外骨骼机器人的使用对象是人，所以机械结构应当保证机器人在正常使用的时候和出现故障时，都能较好地确保穿戴者的人身安全。

（2）拟人化设计。

机械结构应尽量模拟真实的人体下肢运动关节及大小腿骨；在自由度配置和各关节的设计上，尽力满足人体下肢关节活动范围要求。

（3）可伸缩性。

由于不同的人的身材不同，因而其下肢的几何尺寸也不相同。

因此，要求机械腿的长度在一定范围可调，提高下肢外骨骼机器人的通用性。

（4）坚固耐用、轻巧便携。

下肢外骨骼机器人在使用时，即要承受其自身重量又要承载穿戴者的重量，同时还需承受外界的刚性冲击[1]。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

ｂａｓｉｓ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｌｌｂｅｃａｒｒｉｅｄｔｈｒｏｕｇｈｆｕｒｔｈｅｒ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｊｏｉｎｔｔｏｒｑｕｅ，
ｉｔｗａｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｄｒｉｖｅｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆｒａｍｅｗｏｒｋ，ｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏ０８１，Ｃｈｉｎａ）
ｔｕｒｅａｎｄｈｕｍａｎｍｏｖｅｍｅｎｔｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｏｔｈｅｒａｓｐｅｃｔｓｌｉｋｅｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｔｒｏｌ，ｄｒｉｖｅａｎｄｗｅｉｇｈｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎａｎｄＳＯｏｎ，
ＧＡ（）Ｙｕｈｅ。ＺＨＡＮＧＨｕ。ＳＯＮＧＱｉｕｚｈｉＳｔｒｕｃｔｕｒｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＤｙｎａｍｉｃＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＬｏｗｅｒＥｘｔｒｅｍｉｔｙＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ
ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｍａｄｅ，ｔｈｅｎｔｈｅｔｈｒｅｅ — ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｏｆｉｔｃｏｕｌｄｂｅａｃｑｕｉｒｅｄ．Ｏｎｔｈｉｓ
随着现代军事装备的革新和单兵作战能力要求
设计计算
试验研究
外骨骼助力机器人结构设计及动力学仿真
高羽罱，张虎，宋道志
（北京理２ｒ＿大学机械与车辆学院，北京１０００８１）
摘要：采用人机合一的下肢外骨骼助力装置，是未来单兵提高携行、机动能力的先进方式；而智能化的助力机械结构设计与合理的驱动选择布置，是确保外骨骼助力机器人可靠工作的关键。本文通过对人体结构与人体行走运动机理的分析，进行外骨骼机械结构的初步设计，并从电控、驱动及结构减重等方
面进行考虑，对外骨骼机械结构进行优化设计，并获得三维模型。在此基础之上，进一步就机械结构的运动学仿真，通过对各关节的力矩分析，验证结构设计及驱动布置的合理性。
关键词：外骨骼；机械结构；运动仿真中图分类号：ＴＪ８１９文献标志码：Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅｓｙｓｔｅｍｓｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃａｒｒｙｉｎｇａｎｄｍｏｖｉｎｇａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｏｌｄｉｅｒｓｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ，ｉｔｉｓｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｄｅｓｉｇｎｏｆｈｅｌｏｗｅｒｅｘｔｒｅｍｉｔｙｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｎｂｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｈｕｍａｎｂｏｄｙｓｔｒｕｃ —